TẢO
Đối với hệ thống thiết bị phản ứng nuôi tảo dùng CO2 làm nguồn cacbon, sục khí là một tham số quan trọng. Số liệu minh họa trong Hình 3.4A-B và Bảng 3.5 chỉ ra rằng pH của môi trường nuôi giảm đến giá trị ổn định thấp nhất tại tốc độ sục khí 0,5 L/phút và tăng dần đến 6,68 – 7,05 khi tốc độ sục khí tăng
lên từ 1 – 4 L/phút. Nguyên nhân của hiện tượng này là tăng tốc độ sục khí từ 0,5 L/phút đến 4 L/phút thì thời gian lưu CO2 giảm từ 198 phút xuống còn 24,75 phút, dẫn đến lượng cacbon vô cơ bão hòa trong môi trường nuôi giảm từ 97 – 112 mM xuống còn 54 mM và pH cũng tăng dần lên (Bảng 3.5).
Sự tăng trưởng kém của C. sorokiniana TH02 được quan sát thấy ở tốc độ sục khí 0 và 0,5 L/phút với tốc độ tăng trưởng riêng tối đa, nồng độ và năng suất sinh khối lần lượt là 0,12 và 0,56 ngày–1, 0,15 và 1,04 g/L, 21,4 và 148,6 mg/L∙ngày. Tốc độ sục khí nhỏ có thể gây ra sự khuấy trộn trong môi trường nuôi kém và tốc độ chuyển khối và ánh sáng không đủ, nên nồng độ sinh khối và năng suất sinh khối nhỏ. Tốc độ tăng trưởng của C. sorokiniana TH02 được cải thiện đáng kể khi tốc độ sục khí tăng lên 1 – 3 L/phút đạt tốc độ tăng riêng tối đa, nồng độ và năng suất sinh khối lần lượt là 0,42 – 1,16 ngày–1, 1,87 – 3,17 g/L và 267,2 – 452,9 mg/L∙ngày. Chỉ số tăng trưởng cao nhất này sau đó đã giảm xuống lần lượt là 0,22 ngày–1, 1,24 g/L và 177,2 mg/L∙ngày, khi tốc độ sục khí tiếp tục tăng lên 4 L/phút (Hình 3.4A). Với tốc độ sục khí từ 4 L/phút, các tế bào tảo đồng thời phải chịu ứng suất thủy động lực học trong chất lỏng [21, 84], ức chế sự phát triển của các tế bào tảo. Ngoài ra, tăng tốc độ sục khí từ 1 đến 4 L/phút làm giảm lượng CO2 hòa tan trong môi trường nuôi tảo, giảm chất dinh dưỡng carbon dưới dạng carbon vô cơ hòa tan (SDIC) từ 112 mM xuống 54 mM sử dụng trong quang hợp của tảo (Hình 3.4B), do thời gian lưu của CO2 trong môi trường nuôi giảm từ 99 phút xuống 24,75 phút (Bảng 3.5). Tuy nhiên, sục khí thích hợp giúp tăng tốc độ chuyển khối và ánh sáng bên trong nuôi cấy tảo và tỷ lệ quang hợp của các tế bào tảo cũng như ngăn chặn sự tích tụ mức oxy trong các hệ thống phản ứng kín. Để tối ưu hóa tốc độ sục khí số liệu về tốc độ cố định CO2 và hiệu suất cố định CO2 đều phải được xem xét. Số liệu biểu thị trên Bảng 3.5 cho thấy, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 đạt giá trị lớn nhất tương ứng là 830,2 mg/L∙ngày và 66,4% tại tốc độ sục khí 1 L/phút. Trong khi đó, hiệu suất cố định CO2 đạt giá trị lớn nhất 43,5% và 31,8%, nhưng tốc độ cố định CO2 đạt 796,2 mg/L∙ngày và 272,4 mg/L∙ngày tại tốc độ sục khí 2 L/phút và 0,5 L/phút (Bảng 3.5). Khi tăng tốc độ sục khí từ 3 L/phút đến 4 L/phút, tốc độ cố định giảm từ 489,8 mg/L∙ngày xuống còn 324,8 mg/L∙ngày và xử lý CO2 giảm từ 13,1% xuống 6,5%. Xét theo hiệu quả xử lý CO2, tốc độ
cố định CO2 và nồng độ sinh khối, thì tốc độ sục khí tối ưu là 1 L/phút. Sục khí thường được thực hiện bằng cách sử dụng bơm khí hoặc máy nén khí, tiêu thụ lượng năng lượng đáng kể khi tốc độ sục khí được đặt ở mức cao. Do đó, sục khí 1 L/phút được chọn dùng cho các thí nghiệm khác.
Bảng 3.5. Năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 của C. sorokiniana TH02 nuôi dưới tốc độ sục khí khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy.
Tốc độ sục khí (L/phút)
Thời gian lưu CO2 trong môi trường nuôi (phút) Nồng độ sinh khối (g/L) Tốc độ cố định CO2 (mg/L∙ngày) Hiệu suất cố định CO2 (%) 0 0 0,15±0,01 ND ND 0,5 198 1,04±0,02 272,4±12,7 43,5±1,1 1 99 3,17±0,05 830,2±25,8 66,4±0,9 2 49,5 3,04±0,11 796,2±16,9 31,8±0,5 3 33 1,87±0,01 489,8±33,4 13,1±0,8 4 24,75 1,24±0,03 324,8±45,2 6,5±0,2 ND: Không xác định 0 2 4 6 8 10 0 0,5 1 2 3 4 pH , µ (n gà y -1 ) Tốc độ sục khí (L/phút) pH μ (A)
Hình 3. 4. pH môi trường nuôi và tốc độ tăng trưởng riêng (A), năng suất sinh khối và nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bão hòa trong môi trường nuôi tảo (B) dưới tốc độ sục khí khác nhau. Tốc độ tăng trưởng đặc trưng (µ, ngày–1), nồng độ cacbon vô cơ bão hòa (SDIC, mM), năng suất sinh khối (P, mg/L∙ngày).
Tóm lại, điều kiện sinh trưởng tối ưu cho năng suất sinh khối và hiệu suất xử lý CO2 của C. sorokiniana TH02 trong thiết bị panel phẳng là nồng độ CO2 sục 5%, cường độ ánh sáng 150 µmole/m2∙s và tốc độ sục khí 1 L/phút. Trong ba thống số nêu trên, nồng độ CO2 và tốc độ sục khí được kiểm soát thông qua các thiết bị đo. Tuy nhiên, cường độ ánh sáng chỉ có thể được kiểm soát trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu của nghiên cứu này vẫn tiếp tục muốn khảo sát tăng trưởng và hiệu suất cố định CO2 của C. sorokiniana TH02 dưới điều kiện ngoài trời có sự thay đổi của nhiệt độ môi trường nuôi và cường độ ánh sáng.